湯姆遜效應

威廉·湯姆遜1824年生於愛爾蘭，父親詹姆士是貝爾法斯特皇家學院的數學教授，後因任教格拉斯哥大學，在威廉8歲那年全家遷往蘇格蘭的格拉斯哥。湯姆遜十歲便入讀格拉斯哥大學 (你不必驚訝，在那個時代，愛爾蘭的大學會取錄最有才華的小學生)，約在14歲開始學習大學程度的課程，15歲時憑一篇題為“地球形狀”的文章獲得大學的金獎章。湯姆遜後來到了劍橋大學學習，並以全年級第2名的成績畢業。他畢業後到了巴黎，在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。1846年，湯姆遜再回到格拉斯哥大學擔任自然哲學 (即物理學) 教授，直到1899年退休為止。

湯姆遜在格拉斯哥大學創建了第一所現代物理實驗室；24歲時發表一部熱力學專著，建立温度的“絕對熱力學温標”；27歲時發表《熱力學理論》一書，建立熱力學第二定律，使其成為物理學基本定律；與焦耳共同發現氣體擴散時的焦耳－湯姆遜效應；歷經9年建立歐美之間永久大西洋海底電纜，由此獲得“開爾文勳爵”的貴族稱號。

湯姆遜一生研究範圍相當廣泛，他在數學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學等方面都有重大貢獻 ^[1]  。

1821年，德國物理學家塞貝克發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合迴路中，當兩接觸處的温度不同時，迴路中會產生一個電勢，此所謂“塞貝克效應”。1834年，法國實驗科學家帕爾帖發現了它的反效應：兩種不同的金屬構成閉合迴路，當迴路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生温差，此所謂珀爾帖效應。1837年，俄國物理學家愣次又發現，電流的方向決定了吸收還是產生熱量，發熱（製冷）量的多少與電流的大小成正比。

1856年，湯姆遜利用他所創立的熱力學原理對塞貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析，並將本來互不相干的塞貝克係數和帕爾帖係數之間建立了聯繫。湯姆遜認為，在絕對零度時，帕爾帖係數與塞貝克係數之間存在簡單的倍數關係。在此基礎上，他又從理論上預言了一種新的温差電效應，即當電流在温度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。或者反過來，當一根金屬棒的兩端温度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現象後叫湯姆孫效應（Thomson effect），成為繼塞貝克效應和帕爾帖效應之後的第三個熱電效應（thermoelectric effect） ^[2]  。

如果兩種不同的導體連接成迴路，且兩接頭的温度T1和T2不同時，則迴路中產生電動勢,會有電流出現。此現象是T.J.塞貝克在1821年發現的。温差電動勢與兩接頭的温度勢及兩種材料的性質有關，可用温差電動勢率S12，即單位温差產生的電動勢來描述這一效應。

珀耳帖效應是指當有電流通過不同的導體組成的迴路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨着電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。這是J.C.A.珀耳帖在1834年發現的。如果電流通過導線由導體1流向導體2，則在單位時間內，導體1處單位面積吸收的熱量與通過導體1處的電流密度成正比 ^[1]  。

温差電現象：在固態或液態導體中,利用三種相互關聯的現象:塞貝克效應、珀耳帖效應和湯姆孫效應（包括磁場對每個效應的影響），把內能直接轉換成電能(或其逆過程)的現象。

這三種熱電現象都是可逆的。

在半導體中同樣存在着上述三種温差電現象，而且效應比金屬導體中顯著得多。如金屬中温差電動勢率約為0～10微伏/攝氏度之間，在半導體中常為幾百微狀/攝氏度，甚至達到幾毫伏/攝氏度。因此金屬中的塞貝克效應主要用於温差電偶（用作温度計）；而半導體可用於温差發電。珀耳帖效應可用於致冷。一級致冷，温差可達50～60°C；二級致冷可達70～80°C；三級致冷可達90～100°C。由於低温下材料的致冷性能變差，所以一般只作到三級左右 ^[3]  。